CN209764946U - 基于单次变频技术实现超宽带信号分析功能的电路结构 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种基于单次变频技术实现超宽带信号分析功能的电路结构，包括预滤波器模块、第一通道电路模块、第二通道电路模块、扫描同步发生器和比较电路模块，所述的第一通道电路模块的输入端与所述的预滤波器模块的输出端相连，所述的第二通道电路模块的输入端与所述的预滤波器模块的输出端相连接，与所述的第一通道电路模块和第二通道电路模块相连接，所述的比较电路模块的输入端均与所述的第一通道电路模块的输出端和第二通道电路模块的输出端相连接。采用了该电路结构，实现了宽频带信号的测量与分析，电路结构简单电路的功耗降低，可靠性提高；可实现宽频段频率覆盖，同时有效解决了单级变频产生的镜频干扰问题。具有较强的实用性。

Description

基于单次变频技术实现超宽带信号分析功能的电路结构
技术领域
本实用新型涉及信号分析领域，尤其涉及宽带信号分析仪领域，具体是指一种基于单次变频技术实现超宽带信号分析功能的电路结构。
背景技术
信号分析仪是广泛应用的射频测量设备，其突出优点是测量频段宽、灵敏度高、线性度好等优点，广泛应用于通信、通信、导航、雷达等领域。典型的宽带频谱分析仪测量频率范围可以从低频连续覆盖微波频段，比如30Hz～6GHz。为了达到优良的测量精度和动态范围，这种设备大都采用了超外差技术架构，将被测信号通过变频技术搬移到一个固定的中频频率上处理，由于变频技术中的镜像频率的存才，这种宽带设备大都采用了2～4级变频方案实现全频率的覆盖。变频级数的增加，相应增加了本振、滤波及放大电路等，这就造成了这种宽带设备的复杂度高，电路的成本、体积和功耗都较高。
图1是一个典型的宽带信号分析仪原理框图。该方案采用了3级变频的技术方案。在这个结构里，所有的被测信号都被搬移到固定频率为IF3的中频频率上。第一级变频一般采用高中频方案，即中频频率大于射频频率。因此，为满足频率测量范围的要求，第一本振必须覆盖一定的频率范围且与整个扫描电路同步调谐。其后是第二、第三级变频，由于输入输出都是固定的频率，因此其本振频率都是固定的。整个结构的调谐方程如下：
f1stLO-fRF＝f1stIF
f1stIF-f2ndLO＝f2ndIF
f2ndIF-f3rdLO＝f3rdIF
式中，fRF为射频输入频率，f1stLO为第一本振频率，f1stIF为第一中频频率，f2ndLO为第二本振频率。f2ndIF为第二中频频率，f3rdLO为第三本振频率，f3rdIF为第三中频频率。
之所以采用如此复杂的多级变频方案，是由于混频器会产生额外的镜频干扰。如果采用图2的一次变频方案，简化硬件电路，直接将被测信号变频到中频。此时的调谐方程如下：
fLO-fRF＝fIF；
式中，fRF为射频输入频率，fLO为第一频率，fIF为中频频率。
根据调谐方程，当本振扫描频率调谐到fLO＝fRF-fIF时，会产生1个-fIF的同频信号，这是造成宽带接收机很少采用这种一次变频的主要原因。因此，这种一次变频的电路通常用于窄带信号测量与分析，图2中得前端Pre Filter一般采用带通滤波器，带通滤波器的带宽小于中频频率的2倍。
综上所述，多级变频方案可实现宽带频率覆盖，但结构复杂，成本高。单次变频虽然结构简单，但只能实现窄带频率覆盖。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种频率覆盖宽、成本低、结构简单的基于单次变频技术实现超宽带信号分析功能的电路结构。
为了实现上述目的，本实用新型的基于单次变频技术实现超宽带信号分析功能的电路结构如下：
该基于单次变频技术实现超宽带信号分析功能的电路结构，其主要特点是，所述的系统包括预滤波器模块、第一通道电路模块、第二通道电路模块、扫描同步发生器和比较电路模块，所述的第一通道电路模块的输入端与所述的预滤波器模块的输出端相连，所述的第二通道电路模块的输入端与所述的预滤波器模块的输出端相连接，与所述的第一通道电路模块和第二通道电路模块相连接，所述的比较电路模块的输入端均与所述的第一通道电路模块的输出端和第二通道电路模块的输出端相连接。
较佳地，所述的第一通道电路模块包括：
第一混频器，所述的第一混频器的输入端与所述的预滤波器模块的输出端相连接；
第一本振，所述的第一本振的输出端与所述的第一混频器的输入端相连接，所述的第一本振的输入端与所述的扫描同步发生器的输出端相连接；
第一带通滤波器，所述的第一带通滤波器的输入端与所述的第一混频器的输出端相连接；
第一模数变换器，所述的第一模数变换器的输入端与所述的第一带通滤波器的输出端相连接；
第一数字下变频器，所述的第一数字下变频器的输入端与所述的第一模数变换器的输出端相连接；
第一数字振荡器，所述的第一数字振荡器的输出端与所述的第一数字下变频器的输入端相连接，所述的第一数字振荡器的输入端与所述的扫描同步发生器的输出端相连接；
第一分辨率带宽滤波器，所述的第一分辨率带宽滤波器的输入端与所述的第一数字下变频器的输出端相连接；
第一检波器，所述的第一检波器的输入端与所述的第一分辨率带宽滤波器的输出端相连接，所述的第一检波器的输出端与所述的比较器的输入端相连接。
较佳地，所述的第二通道电路模块包括：
第二混频器，所述的第二混频器的输入端与所述的预滤波器模块的输出端相连接；
第二本振，所述的第二本振的输出端与所述的第二混频器的输入端相连接，所述的第二本振的输入端与所述的扫描同步发生器的输出端相连接；
第二带通滤波器，所述的第二带通滤波器的输入端与所述的第二混频器的输出端相连接；
第二模数变换器，所述的第二模数变换器的输入端与所述的第二带通滤波器的输出端相连接；
第二数字下变频器，所述的第二数字下变频器的输入端与所述的第二模数变换器的输出端相连接；
第二数字振荡器，所述的第二数字振荡器的输出端与所述的第二数字下变频器的输入端相连接，所述的第二数字振荡器的输入端与所述的扫描同步发生器的输出端相连接；
第二分辨率带宽滤波器，所述的第二分辨率带宽滤波器的输入端与所述的第二数字下变频器的输出端相连接；
第二检波器，所述的第二检波器的输入端与所述的第二分辨率带宽滤波器的输出端相连接，所述的第二检波器的输出端与所述的比较器的输入端相连接。
较佳地，所述的系统还包括外部显示模块，所述的外部显示模块的输入端与所述的比较电路模块的输出端相连接。
较佳地，所述的预滤波器模块包括低通滤波器。
采用了本实用新型的基于单次变频技术实现超宽带信号分析功能的电路结构，采用了一次变频的方式，实现了宽频带信号的测量与分析，与传统的多级变频和单级变频方案相比，具有以下优点：(1)本方案电路结构简单，具有单次变频的优点，电路的功耗降低，可靠性提高，而成本大幅降低。(2)本方案可实现宽频段频率覆盖，同时有效解决了单级变频产生的镜频干扰问题。具有较强的实用性。(3)本方案的信号处理采用了大量数字信号处理技术，可以在软件和FPGA中进行处理，进一步简化了硬件的复杂度，同时，硬件是适用性进一步提供。
附图说明
图1为现有技术的微波信号分析仪原理框图。
图2为现有技术的采用一次变频的信号分析仪的方案示意图。
图3为本实用新型的基于单次变频技术实现超宽带信号分析功能的电路结构的镜频合成检波后的输出结果。
图4为本实用新型的基于单次变频技术实现超宽带信号分析功能的电路结构的采用差频方案的一次变频原理框图。
图5为本实用新型的基于单次变频技术实现超宽带信号分析功能的电路结构的采用差频方案的分时变频原理框图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本实用新型的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本实用新型的基于单次变频技术实现超宽带信号分析功能的电路结构的技术方案中，其中所包括的各个功能模块和模块单元均能够对应于集成电路结构中的具体硬件电路，因此仅涉及具体硬件电路的改进，硬件部分并非仅仅属于执行控制软件或者计算机程序的载体，因此解决相应的技术问题并获得相应的技术效果也并未涉及任何控制软件或者计算机程序的应用，也就是说，本实用新型仅仅利用这些模块和单元所涉及的硬件电路结构方面的改进即可以解决所要解决的技术问题，并获得相应的技术效果，而并不需要辅助以特定的控制软件或者计算机程序即可以实现相应功能。
该基于单次变频技术实现超宽带信号分析功能的电路结构，其中，所述的系统包括第一混频器，所述的第一混频器的输入端与所述的预滤波器模块的输出端相连接；
第一本振，所述的第一本振的输出端与所述的第一混频器的输入端相连接，所述的第一本振的输入端与所述的扫描同步发生器的输出端相连接；
第一带通滤波器，所述的第一带通滤波器的输入端与所述的第一混频器的输出端相连接；
第一模数变换器，所述的第一模数变换器的输入端与所述的第一带通滤波器的输出端相连接；
第一数字下变频器，所述的第一数字下变频器的输入端与所述的第一模数变换器的输出端相连接；
第一数字振荡器，所述的第一数字振荡器的输出端与所述的第一数字下变频器的输入端相连接，所述的第一数字振荡器的输入端与所述的扫描同步发生器的输出端相连接；
第一分辨率带宽滤波器，所述的第一分辨率带宽滤波器的输入端与所述的第一数字下变频器的输出端相连接；
第一检波器，所述的第一检波器的输入端与所述的第一分辨率带宽滤波器的输出端相连接，所述的第一检波器的输出端与所述的比较器的输入端相连接。
作为本实用新型的优选实施方式，所述的第二通道电路模块包括：
第二混频器，所述的第二混频器的输入端与所述的预滤波器模块的输出端相连接；
第二本振，所述的第二本振的输出端与所述的第二混频器的输入端相连接，所述的第二本振的输入端与所述的扫描同步发生器的输出端相连接；
第二带通滤波器，所述的第二带通滤波器的输入端与所述的第二混频器的输出端相连接；
第二模数变换器，所述的第二模数变换器的输入端与所述的第二带通滤波器的输出端相连接；
第二数字下变频器，所述的第二数字下变频器的输入端与所述的第二模数变换器的输出端相连接；
第二数字振荡器，所述的第二数字振荡器的输出端与所述的第二数字下变频器的输入端相连接，所述的第二数字振荡器的输入端与所述的扫描同步发生器的输出端相连接；
第二分辨率带宽滤波器，所述的第二分辨率带宽滤波器的输入端与所述的第二数字下变频器的输出端相连接；
第二检波器，所述的第二检波器的输入端与所述的第二分辨率带宽滤波器的输出端相连接，所述的第二检波器的输出端与所述的比较器的输入端相连接。
作为本实用新型的优选实施方式，所述的系统还包括外部显示模块，所述的外部显示模块的输入端与所述的比较电路模块的输出端相连接。
作为本实用新型的优选实施方式，所述的预滤波器模块包括低通滤波器。
本发明的具体实施方式中，根据分析，镜频产生于距离有用信号的2倍中频处，如果中频频率发生变化，镜频的频率会发生2Δf的频差。如果对信号分别变换到不同中频频率，两个中频的检波输出，在期望频率上是相同的，但在镜频上存在频差，合成检波后可以分辨出镜频，如图3所示。
根据上述结果，本方案设计了如下实现步骤，如图3所示。信号经与滤波器之后，同时进入到通道1和通道2中处理，通道1和通道2的电路结构完全相同，二者的区别是中频频率IF1和IF2存在频差Δf，BPF1和BPF2分别调谐到各自的中频频率处，数字振荡器NCO1和NCO2的输出与中频频率相同，两个通道的输出进入比较电路COMP，取最小信号，送往外部显示输出结果。这种电路可以有效抑制单次变频产生的镜频干扰。
图4包含电路结构的模块，各模块功能说明如下：
预滤波器(Pre Filter)：用于抑制带外信号，宽带测量采用低通滤波器。
混频器(Mixer1)：通道1混频器，用于将射频信号变频到中频频率。
本振(LO1)：提供所需频率覆盖范围的变频器本振信号。
带通滤波器(BPF1)：中心频率为IF1的带通滤波器，滤波器的带宽BW需大于被测信号的带宽，同时具有通道抗混叠滤波器的特性。
模数变换器(ADC)：将模拟中频信号变换成数字信号。
数字下变频器(DDC)：对信号进行变换和抽取，提供合适的信号速率。
数字振荡器(NCO)：产生于中频IF频率相同的数字本振信号。
分辨率带宽滤波器(RBW)：用于产生信号分析分辨率的FIR滤波器。
检波器(DET)：实时检测信号的幅度并输出。
比较器(COMP)：对两路DET信号进行比较，将幅度低的信号输出。
扫描同步发生器(Sweep Generator)：是实现本方案的关键电路，用于同步处理2个通道的本振信号和数字振荡器频率以及检波输出。
两个通道的调谐方程如下：
通道1：
fLO1-fRF＝fIF1；
fLO1＝fRF+fIF1；
通道2：
fLO2-fRF＝fIF2；
fLO2＝fRF与fIF2＝fRF与fIF1与Δf；
LO1和LO2的调谐频率相差Δf，Δf的选择主要考虑两个因素，第一是信号测量带宽，Δf必须大于被测信号实际带宽，否则对宽带信号造成检波的混叠，无法有效区分。第二是Δf必须大于RBW滤波器。
上述的技术方案，采用了单次变频方案，但使用了双通道处理，通过两个通道的信号幅度差，有效实现了单次变频的镜像干扰问题。相比多级变频，电路结构已经大幅简化。考虑到双通道是同时处理的，对于稳态信号来说，如果两个通道能够复用，电路结构将进一步简化。
分时复用通道后的原理框图如附图5所示，完成一次测量，需要本振调谐2次，第一次按IF1进行扫描，所有测量结果保存，第二次按照IF2进行扫描，与对应的第一次扫描数据进行比较后，输出供显示。与附图4相比，此方案将通道进一步简化，仅增加了一个通道带通滤波器，分别对应不同的中频频率。但由于分时扫描，此方案仅适用于稳态信号的测量。
采用了本实用新型的基于单次变频技术实现超宽带信号分析功能的电路结构，采用了一次变频的方式，实现了宽频带信号的测量与分析，与传统的多级变频和单级变频方案相比，具有以下优点：(1)本方案电路结构简单，具有单次变频的优点，电路的功耗降低，可靠性提高，而成本大幅降低。(2)本方案可实现宽频段频率覆盖，同时有效解决了单级变频产生的镜频干扰问题。具有较强的实用性。(3)本方案的信号处理采用了大量数字信号处理技术，可以在软件和FPGA中进行处理，进一步简化了硬件的复杂度，同时，硬件是适用性进一步提供。
在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (5)

1.一种基于单次变频技术实现超宽带信号分析功能的电路结构，其特征在于，所述的电路结构包括预滤波器模块、第一通道电路模块、第二通道电路模块、扫描同步发生器和比较电路模块，所述的第一通道电路模块的输入端与所述的预滤波器模块的输出端相连，所述的第二通道电路模块的输入端与所述的预滤波器模块的输出端相连接，与所述的第一通道电路模块和第二通道电路模块相连接，所述的比较电路模块的输入端均与所述的第一通道电路模块的输出端和第二通道电路模块的输出端相连接。
2.根据权利要求1所述的基于单次变频技术实现超宽带信号分析功能的电路结构，其特征在于，所述的第一通道电路模块包括：
第一混频器，所述的第一混频器的输入端与所述的预滤波器模块的输出端相连接；
第一本振，所述的第一本振的输出端与所述的第一混频器的输入端相连接，所述的第一本振的输入端与所述的扫描同步发生器的输出端相连接；
第一带通滤波器，所述的第一带通滤波器的输入端与所述的第一混频器的输出端相连接；
第一模数变换器，所述的第一模数变换器的输入端与所述的第一带通滤波器的输出端相连接；
第一数字下变频器，所述的第一数字下变频器的输入端与所述的第一模数变换器的输出端相连接；
第一数字振荡器，所述的第一数字振荡器的输出端与所述的第一数字下变频器的输入端相连接，所述的第一数字振荡器的输入端与所述的扫描同步发生器的输出端相连接；
第一分辨率带宽滤波器，所述的第一分辨率带宽滤波器的输入端与所述的第一数字下变频器的输出端相连接；
第一检波器，所述的第一检波器的输入端与所述的第一分辨率带宽滤波器的输出端相连接，所述的第一检波器的输出端与所述的比较电路模块的输入端相连接。
3.根据权利要求1所述的基于单次变频技术实现超宽带信号分析功能的电路结构，其特征在于，所述的第二通道电路模块包括：
第二混频器，所述的第二混频器的输入端与所述的预滤波器模块的输出端相连接；
第二本振，所述的第二本振的输出端与所述的第二混频器的输入端相连接，所述的第二本振的输入端与所述的扫描同步发生器的输出端相连接；
第二带通滤波器，所述的第二带通滤波器的输入端与所述的第二混频器的输出端相连接；
第二模数变换器，所述的第二模数变换器的输入端与所述的第二带通滤波器的输出端相连接；
第二数字下变频器，所述的第二数字下变频器的输入端与所述的第二模数变换器的输出端相连接；
第二数字振荡器，所述的第二数字振荡器的输出端与所述的第二数字下变频器的输入端相连接，所述的第二数字振荡器的输入端与所述的扫描同步发生器的输出端相连接；
第二分辨率带宽滤波器，所述的第二分辨率带宽滤波器的输入端与所述的第二数字下变频器的输出端相连接；
第二检波器，所述的第二检波器的输入端与所述的第二分辨率带宽滤波器的输出端相连接，所述的第二检波器的输出端与所述的比较电路模块的输入端相连接。
4.根据权利要求1所述的基于单次变频技术实现超宽带信号分析功能的电路结构，其特征在于，所述的电路结构还包括外部显示模块，所述的外部显示模块的输入端与所述的比较电路模块的输出端相连接。
5.根据权利要求1所述的基于单次变频技术实现超宽带信号分析功能的电路结构，其特征在于，所述的预滤波器模块包括低通滤波器。
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